浆态床反应器中的传递过程(2)

1、浆态床反应器中的传递过程浆态床反应器中的传递过程浆态床反应器中的传递过程浆态床反应器中的传递过程 在气-液-固三相反应的宏观反应过程含气-液间传质及液-固间传质过程。 基于相界面积的气相传质分系数 和液相传质分系数 以及气-液传质面积即淤浆中的气泡比表面积 a，都与三相的性质、流体流动状况、压力和温度等因素有关。 但是，三相鼓泡淤浆反应器中，绝大部分反应气体在惰性液相介质中的溶解度很小，所以气相传质系数 可以忽略。 对液固传质过程，若不计入过程中固相颗粒的磨损，单位淤浆容积中固相的体积和外表面积 是固定的，一般只讨论液-固传质系数是 。 从而以容积气-液传质系数 来衡量三相鼓泡淤浆反应器的传质

2、能力，液相容积传质系数 是本章讨论的主要内容GKLKLaKLaKGaKeSSK气液界面的气相容积传质系数 Sada等在浆态鼓泡床的电解质浆液中研究了气相体积传质系数 (其中 为 )并给出了经验关系式:73. 09 . 4GGuakakG a)1/(ga：m/s 是表观气速：是气相容积传质系数，mol/MPam3(不含气相的淤浆体积)S akGGu 实验表明:浆态鼓泡床中的 值与Botton等早已报道的无固体气液鼓泡床的数值一致。Botton以及Mashelkar 和 Sharma测定了 ,得出 与表观气速 的3/4次方成正比。 akG akGakGGu 关联式一 Koide等在直径DR为lO2

3、0cm的淤浆床鼓泡反应器中，研究湍流鼓泡区气含率，也研究了 ,实验在常温及常压下进行，气体介质为空气，用溶氧法测定。溶氧在液体介质中的扩散系数DLl09为0.142.4m2s。研究所得湍流鼓泡区的 关联式如下：345. 0477. 02486. 0612. 0418. 1159. 03450. 01047. 11211LLGRLLRRtSSGLLLLLLLLLLAuDgDgDuCgDgDak式中： 为单颗粒在静止液体介质中的终端速度，m/s对于细颗粒催化剂，处于Rep2的斯托克斯区LLSPt/)(gdu 182 tu气液界面的液相容积传质系数akLakLakLakL气液界面的液相容积传质系数a

4、kL 关联式二 Hempel and Sauer总结出：在常温、常压下进行，液体介质为水，静止床层高度H0为1.2m，用溶氧仪测试值 随气速增加而增大，随固含率增加而降低，可整理成下列关联式 3214121nSOSneffSLngSLggSLLcc)gu(uCguak 为淤浆的动力粘度，m2/s SLvSLSLSL/ 为径向动量传递系数，m2/s effv813110 gugDD.LGRReff 对于3孔的烧结分布板，C=0.23110-4，n1=0.305，n2=0.0746, n3=0.0127；对于1mm孔的多孔分布板，C=0.19710-4，n1=0.385，n2=0.0712，n3=

5、0.0114。 气液界面的液相容积传质系数akLakL气液界面的液相容积传质系数akL 为液固两相淤浆中颗粒的平均密度，kg/m3 CS0为分布板上颗粒的平均密度，kg/m3sCBo)Boexp(CCSS 10 85085000810090113.tRGtsSZtsFr)FrRe.(FrDLuuEHuBoBo(Bodenstein)准数uts液固两相淤浆床中颗粒在颗粒群中的平均终端速度，m/s，又称受阻终端速度，可按下式计算 52250331.L.tGttS)()u/u(u.u Esz 颗粒轴向弥散系数，m2/sL0 静止床高度，mRGgDuFr 气液界面的液相容积传质系数akL气液界面的液相

6、容积传质系数 关联式三 Yasunish等人提出：sPasmUmdlgsp002. 0001. 0/103108 . 04 . 001023. 01016. 022335 . 17/ )60. 0/1(1009. 3lslak当操作条件为：液体粘度：表观气速：固含率：颗粒直径lgspUd气液界面的液相容积传质系数 关联式四 Sata等人提出：当操作条件为：2 . 0,/2 . 0sgsmU9 . 0GLCakgGGU046. 0)1/(4 关联式四 Sata等人提出：当操作条件为：为气相含率G气液界面的液相容积传质系数 关联式五 杨卫国等人提出：当操作条件为：27013,340Re8105 .

7、 1106 . 386ScEu868. 0077. 1374. 04Re10802. 1/ScEuDadkML42. 075. 0effgLkUakOzturk and Schumpe提出：031. 0,042. 0kkeff对石油醚化萘为液体表观粘度对四氢气液界面的液相容积传质系数的测量(1)物理法物理法应用得较早 ,主要包括非稳态(动态)法和稳态法两种。 非稳态法是指让气体连续通过液相 ,使其与液相进行不稳态的传质 ,同时记录液相中气体的浓度随时间变化的关系 ,从而得到传质系数。传质系数的表达式为:atkccccLLLLL*0*ln 由于非稳态模型是建立在液相为全混流的假设基础上的 ,所以

8、 ,物理法主要在相对较短并且具有较小面积比的反应器上应用。 稳态法是指液相同时穿过反应器 ,与通入的气体进行稳态传质 ,液相中被交换的气体浓度分别在反应器的进口和出口测得。由此 ,可以算出气体在液相中的传质系数:)()(*0*0液相为活塞流状态液相为全混合状态LLLLLLLLLLLLccccLuakccccLuak气液界面的液相容积传质系数的测量(2)化学法 自20世纪 70 年代提出化学法测定传质系数以来，该方法一直被认为是一种比较可靠的测量方法，并且得到了广泛的研究和应用，该方法多用于气液或液固反应器中传质系数的测定。Dankwert 等对其理论和实验做了大量的研究。目前，应用较成熟的慢反

9、应体系有用碱溶液吸收 CO2 同时解吸 O2 体系以及用 Na2SO3 吸收空气中的O2 同时解吸 C2H4 体系等。在应用化学法过程中，必须控制反应速度，既要使反应速度慢到在液膜中没有明显的反应速度，又要快到足以使被吸收气体在液相主体中的浓度为零。因此必须满足下面的条件:气液界面的液相容积传质系数的测量气液界面的液相容积传质系数的测量传质系数计算式为:*ALAackaR 用化学法测定传质系数可以保证在同一流体力学条件下同时测定传质系数和相接触面积，但由于反应的存在增加了传质速率，其测定的结果比物理法偏高。 影响液相体积传质系数的因素 在浆态鼓泡床气液传质过程中 ,液相体积传质系数起着决定性的

10、作用。影响液相传质系数的主要因素有:系统压力、温度、 气体表观气速、 液体物性、 固体浓度及其物性等。 (1)系统压力 系统压力对气液传质系数的影响主要与压力对液体表面张力和粘度的影响有关。一方面 ,系统压力的增大有利于小气泡的生成 ,增加了气液两相接触面积; 同时根据旋涡模型,液相传质分系数反比于液体粘度 ,而压力的增大能使液体粘度降低 ,从而提高气液传质;旋涡模型：影响液相体积传质系数的因素 另一方面 ,压力增加可以使更多的气体溶液在液体中 ,导致了液体表面张力下降 ,液体表面张力的下降会导致气泡上升速度降低 ,延长气液接触时间。由渗透模型可知 ,气液传质分系数 kL 与接触时间的平方根成

11、反比 ,因此液体表面张力的降低又将导致 kL 减小。基于上述的原因,压力对气液传质系数的影响比较复杂,目前还没有一致的结论。渗透模型：影响液相体积传质系数的因素 (2)温度 温度能够改变气液体系的物性 ,同样也影响着传质系数。 温度上升将使液体的表面张力和液体粘度下降 ,从而导致液相传质分系数 kL和相界面积上升;同时较高的温度有利于气体的扩散,增大扩散系数,由于液相传质分系数kL 与气体的扩散系数的平方根呈正比,液相传质分系数 kL 随温度升高而增加。 另一方面 ,较高的温度能促使小气泡生成大气泡 ,在一定程度上减小了相接触面积。两者相对而言 ,减小的程度相对于增加的程度要小的多。 总之 ,

12、文献报道中大多都认为:升高温度将有利于传量传质 ,能够提高液相体积传质系数 kL。影响液相体积传质系数的因素 (3)表观气速 表观气速是浆态鼓泡床反应器最重要的操作条件之一 ,它对气液两相的质量传递有着非常重要的影响。 它的大小将直接决定着反应器内流型 ,影响相界面积和液相传质分系数 kL。 实验表明:较高的气速能够提高气泡数量,增加气液两相的接触面积。同时,较高的气速还使系统中的液膜变得更薄,提高了液相传质分系数 kL。 Akita 与 Yoshida以及 Sada 等发现低气速及中气速时体积传质系数随着气速的上升近似直线增大 ,而在高气速下 , kL随着随气速变化较小。影响液相体积传质系数

13、的因素 (4)液体性质 液体性质同样是影响 kL的重要因素,特别是将同一溶质在水体系与电解质溶液体系的kL相比较时, kL随 L 的上升而下降。低粘度的液体中粘度的影响很小 ,但在高粘度非牛顿型 液 体 中 粘 度 的 影 响 很 大。; zturk 和Schumpe报道了液相体积传质系数随着表观粘度 的 增 加 而 下 降 , 并 得 到 了 关 联 式: 关于表面张力的影响 , Koide 等研究了液体性质对传质系数的影响 ,他指出 ,表面张力的增加将降低 kL值。影响液相体积传质系数的因素 另外 ,液相中的电解质或表面活性剂的存在也将大幅度地影响传质行为。K ato 等由亚硫酸盐在电解质

14、中的氧化所得的 kL值大于Koide以及 Y asunishi在非电解质液水溶液泥浆中获得的 kL值。但在气泡合并受阻的电解质液泥浆体系中,液相体积传质系数 kL与气含率 G的关系基本上与电解质浓度无关。 (5)固含率及固体颗粒性质 固体颗粒一般以反应物、 生成物或催化剂等形式出现。它的出现使反应器内体系变得复杂 ,改变了反应器内的传质特性。 Michafl 和Reichert在乙烯的聚合反应中研究了固体颗粒对传质系数影响 ,发现只有在聚氯乙烯颗粒体积分数超过 15 %的时候 ,才会对乙烯的传质系数产生影响。后来在研究乙烯在烃类浆液床中聚合时 ,发现固体浓度大于 20 %的时候体积传 质 系

15、数 也 没 有 增 长。 但是zturk 和Schumpe在低固含量和高固含量情况下 ,对氧气在有机液体中的质量传递进行了研究。发现高密度的细小颗粒在低浓度下也能够增加气液两相体积传质系数 kL, 这与 K ato、Kurten用亚硫酸盐氧化方法 ,研究玻璃球浆液中体积传质系数所得的结论相一致。得到同样结论的还包括:Alper、 Gollakota and Guin和 Chang and Morsi等。 与此相反 , Deimling、 K arandikar以及杨伟国等则在他们的文献中却报道了相反的结论。 由此可以看出 ,固体颗粒浓度对传质系数的影响比较复杂。在不同的物系和操作条件下 , k

16、L随着固体浓度的增加可能出现增大、 减小和不变的情况。影响液相体积传质系数的因素 固体颗粒的性质也对传质系数有一定的影响。 Schumpe 等在研究了氧气在含有聚丙烯颗粒的浆液中的传质时发现 ,当在鼓泡床中加入润湿性差的颗粒时 ,气液体积传质系数 kL下降。他认为这种影响不能用悬浮液粘度的影响来解释 ,这种影响应归结为颗粒较差的润湿性。另外 ,当固体颗粒为反应产物或催化剂时 ,传质系数 kL也会受到很大的影响。 目前 ,国内外关于这方面报道还比较少。Juan 和Badie的研究表明:在催化剂浓度较低时 kL出现一个最大值 ,随着固含率的增加 , kL减小。影响液相体积传质系数的因素高温高压下浆

17、态鼓泡床气液传质系数的测定 目前，尽管对浆态鼓泡床传质特性的研究比较多，但由于大多数是在常温常压条件下进行的，而工业生产过程则都是在高温、高压中进行，这就使所得的结论很难应用于实际生产. 因此，有必要在接近工业状况下，对传质特性进行研究. 浆态鼓泡床反应器的设计和放大是影响反应器应用的主要因素. 而在浆态鼓泡床的设计、 放大过程中，面临的主要问题是很难确定反应器内相际间的传质规律.高温高压下浆态鼓泡床气液传质系数的测定 实验装置及测量方法 实验装置如图1 所示.实验采用动态物理吸收方法测量氧气在水中的体积传质系数kLa. 实验所用鼓泡塔为不锈钢塔，主要采用两种塔体，塔内径分别为60 和100

18、mm，高1350 mm. 气体分布器为多孔板，开孔率为1.78%. 反应器温度由导热油加热套加热并由控温系统控制，系统压力由压力调节器控制并调节，气体流高温高压下浆态鼓泡床气液传质系数的测定量由质量流量控制器控制. 原料气和尾气组成用气相色谱仪分析. 实验所用气、液、固三相分别为空气、水、石英砂(rs=2630 kg/m3, dp145 mm). 实验条件为温度298473 K，气体压力1.03.0 MPa，表观气速0.030.10 m/s，固含量0%20%(w). 实验前先用氮气排气法排出液体中的氧气并向反应器内充入一定的压力，同时打开控温系统，将反应器逐渐升温至设定温度，然后向反应器内通入

19、空气并调节气体流量. 在实验过程中，不断用气相色谱对反应器的尾气进行定时采样分析，同时记录响应时刻气体流量，进而通过求出液体中氧气浓度随时间变化的关系可以得到传质系数. 高温高压下浆态鼓泡床气液传质系数的测定 实验数据处理 计算液相体积传质系数的方法主要有积分法、微分法和多相线性拟合法. 本实验采用积分法计算液相体积传质系数 kLa. 首先用氮气对反应器进行吹扫，使液体中的氧气浓度降为0. 然后向反应器充入一定压力的氮气，同时开始加热反应器. 当反应器温度和压力达到操作条件时，在 t0=0 时刻通入一定摩尔流率NG(t0)的空气. 经相等的时间间隔后，用气囊采集反应器的尾气，并用气相色谱分析尾

20、气中氧气的浓度 yO2(ti)，同时记录相应时刻尾气的体积流率 NG(ti)，则t=ti时刻液体中氧气的瞬时浓度为高温高压下浆态鼓泡床气液传质系数的测定高温高压下浆态鼓泡床气液传质系数的测定 压力的影响 实验在温度298 K、固含量为10%(w)、表观气速为0.034 m/s的条件下，考察了不同压力对气液传质系数的影响. 图2 显示了传质系数kLa随压力的变化规律. 从图中可以看出，在1.03.0 MPa的范围内，kLa随着压力的增加而增大. 这种现象与压力对气液体系物性的影响有关. 压力的增加一方面有利于小气泡的生成，使气泡的平均Sauter直径降低，从而导致气液接触面积a显著增加. 同时，

21、压力的增加还增大了气体在液体中的溶解度，使液体的粘度减低，根据旋涡模型可知，液相传质分系数 kL反比于液体粘度，因此，压力的增加也将提高液体一侧传质分系数 kL. 基于上述原因，压力的增加将使气液体积传质系数变大，有利于气液传质. 结果与讨论高温高压下浆态鼓泡床气液传质系数的测定 温度的影响 温度能够改变反应器内的气液体系的物理性质，影响传质特性. 实验在固含量10%(w)、压力1.0 MPa、表观气速0.030 m/s的条件下，考察了温度对传质系数的影响. 图3 显示了传质系数随反应温度的变化，表明传质系数kLa随着温度的升高而增大. 由于较高的温度有利于气体的扩散，所以提高反应温度可以增大

22、气体在液体中的扩散系数，根据液相传质分系数kL与气体扩散系数的平方根呈正比，温度升高增加了液相传质分系数kL. 另外，随着温度升高，液体的粘度下降. 粘度降低将增大 kL. 尽管温度升高还可能使小气泡聚并成较大的气泡，一定程度上会减小气液接触面积a，但其影响相对于整个传质系数来说相对较小. 总体来说，升高温度将有利于气液两相传质过程，增大了传质系数kLa. 高温高压下浆态鼓泡床气液传质系数的测定 表观气速的影响 表观气速是浆态鼓泡床反应器重要的操作条件之一，它对传质系数有很大的影响. 实验在温度298 K、压力1.0 MPa、固含率10%(w)的条件下，对不同表观气速下传质系数的变化进行了研究

23、，结果如图4 所示，表明随着表观气速增加，kLa增大. 这是因为表观气速的增大意味着单位时间内流过反应器的气体体积量增加，使液体中气泡数量随之增加，从而导致气液两相接触面积a增大；同时较大的气速可以增加液相的湍流程度，使系统中的液膜变得更薄，从而提高了液相传质分系数kL.高温高压下浆态鼓泡床气液传质系数的测定 固含量的影响 在浆态鼓泡床中，固体颗粒经常以反应物、生成物或催化剂的形式出现，使反应器内体系变得复杂，改变了反应器内的传质特性. 实验在室温、压力1.0 MPa及表观气速0.034 m/s的条件下，研究了固体颗粒石英砂浓度在 0%10%(w)范围内对传质系数的影响，见图 5. 从图可以看出，随着固体颗粒浓度的增加，kLa减小. 这与 Deimling 等研究所得的结论相同. 出现这种现象是因为固体颗粒浓度的增加减小了液相中的气相含率，从而减小了气液两相的接触面积. 同时，较高的固含量还增